等离子喷焊技术的研究进展

1、目 录1. 堆焊技术的概述11.1堆焊技术的发展历程11.2 堆焊技术在实际生活生产中的应用21.2.1轧辊堆焊21.2.2阀门堆焊31.2.3发动机的关键部件的堆焊41.3堆焊技术的特点52. 等离子喷焊技术概述52.1等离子喷焊的基本原理52.2等离子焊接特点63等离子喷焊设备73.1等离子喷焊电源73.1.1焊接电源特性73.1.2单电源工作73.1.3双电源工作83.2.焊枪83.2.1焊枪基本要求和典型结构93.2.2喷焊喷嘴的设计93.3等离子喷焊程序控制及其他系统113.3.1水冷系统123.3.2气路系统124. 等离子喷焊材料的发展现状134.1复合材料134.1.1国外复合

2、材料等离子弧喷焊技术发展状况134.1.2我国复合材料等离子弧喷焊技术发展状况144.2自熔材料154.2.1国外一些典型自熔合金粉末164.2.2国内一些典型自熔合金粉末225. 个人心得246. 国内外公司网址26参考文献277.翻译31英文原文一31中文译文一40英文原文二44中文译文二548. 致 谢58第 58 页中国矿业大学2013届本科生毕业设计（论文）等离子喷焊技术的研究进展1. 堆焊技术的概述1.1堆焊技术的发展历程堆焊是在工件表面用焊接的方法堆一层或者多层同种材质或异种材质金属的工艺方法。堆焊是表面工程技术中的一个很重要的分支，它是通过在热源装置，加热上面的前体材料，使之具

3、有某种特殊性能或已失损失的部分恢复至原始尺寸，使基材的表面形成具有一定的性能合金镀层。堆焊层与基体金属可以实现冶金结合，从而使堆焊层在实际应用的过程中的寿命延长，不易剥离脱落，并且零部件的耐磨性，耐腐蚀性和耐高温性能根据要求，选择合适的堆焊合金，因此在这个过程中的工艺选择上有非常大的灵活性1-2。在20世纪50年代后期，作为一个传统和高效相结合的表面工程技术，堆焊技术主要用于修复领域。在20世纪60年代，堆焊技术开始被用于提高表面部分的强度，对部件表面的改性。20世纪70年代的粉末等离子亚弧焊既等离子弧焊，在低真空烧结的发展和应用有了新的突破，气体保护焊接及氧-乙炔喷熔过程中，也是在这个时期得

4、到飞速发展。高碳高cr合金的耐磨粉块碳弧焊接技术在20世纪80年代被开发。同时也是在这个时期，耐磨型大面积复合钢板的相应焊接制造技术被广泛应用于化工、冶金等各个行业。20世纪90年代，焊接技术取得了一个突破性的发展，促进产生了先进制造技术的概念，成形焊接技术和智能控制技术和精密磨削技术相互结合。焊接技术的进步，进一步地促进了制造业的快速发展3。近50多年来的实际应用表明，堆焊技术不仅降低了由于材料磨损，破损造成的损失，并且还使了中国经济的可持续性发展得以实现。中国的焊接专家开展了大量的工作，把研究重点放在如何提高质量和焊接效率上。在堆焊的方法上，已开发（单丝，多丝）弧焊，电渣压力焊（极窄带，宽

5、带），熔化极惰性气体保护焊焊接，等离子粉末喷焊焊接，高能量激光束和高能量聚焦束的焊接。从熔敷效率角度来看，从单丝的电弧焊11kg/h发展多带弧堆焊70kg/h4，稀释率从30至60骤减为电弧焊接，等离子弧，激光，聚焦束焊接的5左右5。根据表面材料的修理破损工件的要求，如今开发出了一种堆焊复合合金材料，这种堆焊复合材料具有的属性是具有很好的耐磨损性且质地坚硬，这种复合堆焊合金材料包括管状钨碳合金的焊条和含有一定co元素的碳化物基体合金。还有一些以含有镍元素和铁元素作为基体的合金材料，和具有耐热疲劳性的铬镍钨钼铌材料和ni基合金堆焊材料，这种材料是一种马氏体时效钢材料主要应用于修复的辊的表面，还有

6、一种材料是低合金钢，含有铬和猛元素，例如40crmn和30crmn，这两种堆焊材料主要用于热作模具钢的表面修复，其他种类的堆焊材料例如含有铬和钨的3cr12w8，和cr15mo，这两种材料主要应用到分散淬硬钢的堆焊，再如含有铬钼锰和钒元素的合金材料例如15cr13mo2mnv，25cr15wmov，含有钨和硅元素的合金如27cr13mo2w2mnvsi，还有同焊剂结合使用的马氏体不锈钢合金复合堆焊材料，比如同sj型焊剂一起搭配的含有铬镍钼的堆焊材料，典型的一种是1cr13nimo同sj型焊剂进行搭配，另一种是0crl4ni2硅同sj型焊剂6。在堆焊早期主要开发以焊条为主的转向型焊条材料，采用实

7、心焊丝配合焊剂，药芯焊丝和粉末或其他形式，配合使用比例一年比一年多7。将中国的焊接技术与国际最尖端的科学技术的进展横向对比来分析，我国在堆焊理论基础上的研究，并没有逊色于现代工业化集成度很高的发达国家，在堆焊合金的设计和焊接过程形成的焊接缺陷形成机制这些基础理论的研究和实验探索上都不比发达国家差，但在一些方面我国与发达国家的水平的差距还是很明显的，我国堆焊材料种类还不过丰富，不能满足国内的生产和实验要求，对于这些要求比较高的堆焊材料，目前我国只能依赖于进口，同样在设备行业上我国与工业化发达的国家也有很大差异，一些设备不能达到标准8。我们国家的堆焊材料的突出特点是，焊条比焊丝用的多、烧结焊剂比熔

8、炼焊剂用的少、实心焊丝在实际的应用和实验上比药芯焊丝用的广泛。我们国家的焊接设备的现状是，改造设备明显多于专用设备，高智能自动化设备在实际的生产和研究远远少于普通设备，因此通过中外对比可以看出我国不仅在堆焊材料的种类上需要丰富同时在品质也应该提高来满足未来越来越高的要求在未来的研究和探索中不断提高和创新，而且焊接设备的自动化，智能化水平等方面也应该有所更新完善来满足要求越来越严格的国际市场质量要求9-13。1.2 堆焊技术在实际生活生产中的应用为增加或者恢复原来焊接尺寸，或者是焊件的表面有特殊的性能的复合层而进行的焊接称为堆焊，堆焊后可以是零件达到生产要求改善耐磨性，工件的使用寿命在一定程度上

9、得到延长，节约能源，减少合金的消耗，缩短加工周期，降低劳动成本和改进设计等效果18-20。下面简单列举几个堆焊在实际技术当中的应用。随着我国现代化经济建设的飞速发展，我国的焊接技术也正在蓬勃的发展中。近几年来，表面堆焊技术广泛应用于电站、核能、石化、冶金、煤炭、矿山、建筑、桥梁、船舶、汽车机车、航天航空和海洋工程等各个行业的设备修复，可见现代堆焊技术在国家经济发展建设中的地位日趋重要14-17。1.2.1轧辊堆焊辊轧钢厂生产轧辊的质量直接受到轧机轧材，轧辊消耗，消费质量的影响，据统计，每生产一吨热轧钢板，轧机过程中就需要消耗1.5-2公斤左右的轧辊，换算之后价格相当于生产每吨需要二十元至二十五

10、元，冷轧钢材消费相对贵一些，需要2-2.5公斤左右的轧辊，换算之后价格相当于生产每吨需要三十元至三十五元。中国每年的钢产量已经超过0.1gt年消费量约30亿元21-25。旧辊堆焊修复轧辊寿命已经成为一个重要的衡量轧制企业的标志，以降低成本和提高工作效率，同时也符合中国的节能材料，洁净生产的基本国策，有利于中国目前大力倡导的低碳和可持续发展的要求26-29。1990-2000年间，绝大多数大中型钢铁企业有能力对轧辊采用堆焊技术进行修复，并且通过修复，总结并积攒了很多经验，为国内堆焊技术的发展奠定了坚实的技术基础，同时企业还达到了双赢，不仅节省了能源，杜绝了浪费，而且同时也取得了显着的经济效益30

11、-31。这主要是由于磨损和表面裂纹，通过冷热交替的环境引起裂纹，由于挤出的粘接剂的磨损和磨粒磨损，辊堆焊要还原不仅回复轧辊辊身和辊颈，更需要提高改善耐热疲劳性和耐磨性。轧机辊焊接修复技术是利用实心焊丝，埋弧焊法烧结或熔化焊剂。线材材质分为低合金高强度钢，高合金高碳工具钢，热作模具钢种，马氏体不锈钢32-34。焊剂材料有烧结型和冶炼两种类型。最常用的为低合金高强度钢，例如含有主要含有铬锰硅三种元素的30crmnsi，这种材料在通过堆焊之后得到的堆焊层硬度可以达到hrc30-40，硬度在这个范围很少用来做其他的应用，多用在对零件的尺寸还原上35。含有钨和钒的钢种3cr2w8v钢在实际生产中多被选为

12、热作模具钢，因为其消除应力后退火熔覆层的硬度可达40-50的洛氏硬度，所以大多情况下钢厂在初轧钢是会选用此种材料。锻钢在经过辊轧机轧辊之后的使用寿命可提高2-4倍36。1cr13，2cr13，3crl3是马氏体不锈钢，在堆焊时用于修复受损的齿槽，辊钢的轧辊和锻造钢的轧辊，一般情况下得到的堆焊层硬度可达到40-55的洛氏硬度。高合金高碳工具钢焊丝的典型牌号是含有铬锰硅钨钒等元素的80cr4mo和8w2vmnsi，在现实成产中采用堆焊来修复精轧机的工作辊，这种工作辊的材质一般情况下是锻钢材质和冷、热轧机的支撑辊，由于合金元素和碳含量高，容易产生焊接裂纹，这需要使预热和层间温度更高37-40。hj2

13、60，431，430是轧辊堆焊修复常用的碱性熔融焊剂，由于其较低的氧化性，可以降低丝焊接过程中的损耗，但这种类型的焊剂在实际操作后不容易脱渣导致堆焊层的表面质量差。为了解决这一问题，增加使用烧结焊剂堆焊，这样的焊渣在500时容易脱渣，大大提高堆焊层的表面质量，提高某些元素过渡系数（碳，铬，钒等元素），这有助于确保设计的堆焊层的性能。使用埋弧焊接技术，即使它是一个多丝埋弧焊但是熔敷效率也受到限制，堆焊单沟道宽度小，频繁的重叠会使熔敷金属的性能显着降低，尤其是宽带极堆焊辊修复技术，显示出良好的应用前景。宝钢二期，三期工程已推出四个大型板坯连铸机导辊的修复，堆焊材料为1crl3nimo规格0.4mm

14、x30mm和0.4mmx50mm采用新方法之后，堆焊的效率和质量比一直使用的常规方法有显著提高41-43。对于药芯焊丝来讲有点更为明显，特点是这种焊丝的成分调整容易，引燃的电弧非常稳定，在实际生产过程中多用于制备生产高硬度，不易轧拔的堆焊合金。因此近年来，如何更好的发展和使用药芯焊丝焊接技术已经在业界引起了关注。我国内地有一些公司为此作出了积极研究，从实践中摸索开发出的冷轧、热轧辊，连铸辊堆焊药芯焊丝系列，改进了轧辊堆焊的控制系统，这种系统现在已经高智能化，这项改善在实际中，可结合不同的焊接电源配合使用，提高了可通用性并且对相应的送丝机构也有很大的兼容性，组合之后可以完成二氧化碳焊接，熔化极惰

15、性气体保护焊，熔化极活性气体保护焊，埋弧焊，对于异形截面的零件也能处理的游刃有余44-45。图1 大型热轧堆焊流程图1.2.2阀门堆焊密封面是阀门一个主要组成部分其质量的好坏和阀门的使用寿命，操作可靠性的优劣息息相关46。密封面由于定期会受到外在因素的擦伤，挤压和冲击以及阀一定频率的打开和关闭，除以上之外也受到来自工作环境的综合作用，对密封面的要求因此也就很高，根据要求需要其耐高温，耐腐蚀，抗氧化。中国石化公司的阀门密封面的故障是一个非常严重的问题。因此根据要求，采用合理的方法堆焊修复或加强阀门密封面，使之具有优良的耐磨损，耐腐蚀，耐高温等特性，阀门的使用寿命和质量在堆焊之后能够明显的提高得到

16、改善，因此能降低维护次数从而成本得到控制。对阀门的密封面进行堆焊来改善其性能的方法的研究从上个世纪60年代就已经开始了，到目前已经快经过半个世纪的发展，从上世纪刚发展时采用的手工电弧焊及氧气-乙炔火焰对阀门进行堆焊，显然过去的手段在现在看来是非自动化，低效率的焊接方法，目前现在的生产和研究中已经大面积地使用高效，自动化焊接来代替早期的焊接方法，现在常用的方法有埋弧焊，钨极氩弧堆焊，等离子弧粉末喷焊，在一些前沿领域激光焊接也有所涉及47-50。奥（马）氏体铁基堆焊合金、镍基耐磨堆焊合金和钴基堆焊合金的堆焊合金系统已被开发。cr13马氏体不锈钢应用于低于16mpa压力的焊接，在处理碳钢阀门时，温度

17、范围应不高于450，问题是对于碳含量高的2cr13堆焊金属材料，其抗裂性差，因此需要选择适合实际操作的焊接工艺和热处理是很必要的，通过研究和实验分析表明在一般情况下，含铬锰奥氏体焊条在不预热的情况下，含铬锰金属的材料使用特性优于cr13合金。cr-ni奥氏体不锈钢用于蒸汽阀焊接温度是焊条低于60051-53。f1系列的镍铬硼硅堆焊粉，ndg-2类型镍铬硅堆焊粉末，f2 系列是钴基堆焊粉末，铁基堆焊粉末的牌号是f3，这两种堆焊合金粉末材料已经在实际的现实生产中应用到了高温耐腐蚀的阀门，对高温高压阀门进行堆焊能在经济上体现了可观发展空间。阀门密封面层的厚度是一项重要参数，这个参数是广大阀门设计师都

18、非常关心的重要参数。如果厚度太小，焊接金属的稀释率增加，而厚度过大，不仅浪费宝贵的材料，许多不利因素将有所增加，例如应力裂纹会增多。因此，对于堆焊层厚度控制标准是在熔敷的金属被母材合理稀释时的厚度为最小厚度 54。每个国家对阀门密封面的厚度都已经制定了每个国家自己的标准，我们国家的标准是采国标984-85和ej/t10255-69这两种。密封表面的另一项重要参数是如何合理控制基体金属在密封表面的稀释程度，高品质的密封面堆焊系统稀释率是恒定的，稀释率主要由焊接时采用的方法和焊接过程中制定的工艺参数所决定。单层稀释率的各种焊接方法的升序排序顺序为：氧-乙炔火焰，等离子弧焊，钨极氩弧焊，手工电弧焊，

19、埋弧焊。埋弧焊稀释率过大，但焊接效率是最高的，单层堆栈高达3至5毫米高。钨极氩弧焊单层堆焊稀释率可以控制在10-20左右，但堆高小，必须进行堆焊2至3层才能实现3mm的有效高度。有两种类型的粉末等离子弧堆焊有效烟囱高度为2mm，阀门焊接和等离子电弧焊接技术可达5至30的稀释率；送丝单层等离子电弧焊接的稀释率可以控制在5到15，但一般需要堆焊二或更多层，以保证有效余高达到3mm。我们的阀门密封面的材料和堆焊方法堆焊技术专家做出了积极努力，但仍有很大的发展空间，比如烧结焊剂焊接材料的开发，阀门密封面的发展，埋弧焊丝合金钢焊条，镍基合金焊条的优化55。此外，迫切需要发展提高焊接效率，同时又具有低堆焊

20、稀释率，自动化和高智能化的焊接设备，因此在焊接工艺水平还需要革新完善。1.2.3发动机的关键部件的堆焊每个工作在温度高，有腐蚀和频繁冲击环境下的发动机的进气和排气阀门，常因磁盘锥面受损而报废不能被继续使用。合理的堆焊工艺方法和选择合适的堆焊材料可以修复发动机的气门盘，一般情况下可以延长使用寿命56。国外内燃机车柴油发动机阀盘部分是铁基奥氏体耐热钢，盘锥焊接是司太立（stellite）高温耐磨合金，或高温镍基合金板锥盘，没有进行堆焊强化处理。东方红系列175、180、东风240系列、280柴油发动机缸体，进气阀门用于4cr14niw2mo奥氏体耐热钢板锥堆焊接，所需司太立（stellite）6型

21、钴基耐高温合金。一机车生产制造厂使用氧-乙炔焰堆焊阀盘锥实践表明，制造4cr14niw2mo进气阀门，稀释率约为10，而21-12奥氏体母料生产排阀门堆焊稀释率约7，堆焊层硬度至少为40hrc。对180，000阀门检验显示，焊接生产运行的机车行评估不出现裂纹，穿孔，剥离掉块和其他损坏现象57。某工厂在gh4033盘圆锥表面堆焊镍合金，通过控制堆焊稀释率的方法来解决现状发动机气门盘锥高温腐蚀腐蚀造成的损害，可以显着改善。活塞是最容易损坏的发动机的重要部件之一，特别是第一环槽的活塞环槽的环境为压强600mpa，温度220至280度，实际的磨损情况非常严重。发动机在未来的发展方向是高寿命，高功率，这

22、样下来对材料的要求越来越高，目前采用的主要方法是对铝合金活塞环槽进行堆焊，这种方法已成为一个重要的措施，实际效果显示能有效的提高发动机负载工作情况下的机械性能和延长发动机的使用寿命。活塞环槽堆焊主要方法是采用氩弧焊焊接和等离子弧焊，选择这两种焊接法都可以提高铝合金的硬度和耐热性，常用的焊接材料含有的合金元素包括镍、铁和稀土元素等。铁可以改善热强度，但不宜加入过多，加入过多会造成裂纹，裂纹会明显影响工件的性能和质量。镍可提高强度和耐热性，如果焊丝中镍含量超过十分之一就可以延长活塞寿命三至四倍左右，但也不能加过头，添加稀土是很好的选择，稀土类元素可以细化和球化铝合金的针状共晶，并且可形成具有铝，铜

23、，锰和其他高熔点化合物，这种化合物可以提高铝活塞环槽耐高温性，强度，但也不能添加过多，稀土元素添加量应控制在17%-20之间才能得到理想的结果58。堆焊可以应用在发动机的凸轮轴承中和挺杆摩擦副的维修中，加固效果也非常好，所以其未来的实际使用有很广的发展空间。汽车的心脏-发动机的挺杆是很重要的一个零件，其材料制造以40cr钢为主，一般使用陶瓷复合结构，以提高其耐磨性，但容易导致破裂或剥落，挺杆钢铁轴的表面中使用的焊接方法可制造具有陶瓷纤维的金属基复合材料，可增强挺杆耐磨性。挺杆也可以是耐热合金，以提高耐磨性。1.3堆焊技术的特点堆焊焊接工艺的显着特征是堆焊层和基体材料可以冶金结合，堆焊层剥离的倾

24、向小，可以根据要求来设计表面材料，使零件的表面具有良好的对磨损的耐受性，对腐蚀的耐受性，对高低温耐受性，抗氧化性，抗辐射性。堆焊工艺的选择有很大的灵活性59。2. 等离子喷焊技术概述2.1等离子喷焊的基本原理等离子喷焊是借助水冷系统的喷嘴对电弧产生拘束作用，以转移弧作为热源获得高能量密度的等离子弧，配合喷焊粉末材料进行焊接的方法。焊枪的阴极电极和喷嘴（阳极）这两个部分被分别连接到负、正极，工作气体通过喷枪，通过高频火花点火，气体被加热到很高的温度（约15000k）产生压缩的效果，在磁压缩、热压缩和机械压缩综合作用下从喷嘴射出一个温度极高，速度极大的等离子射流60。喷出的气流混有喷焊粉末被瞬时地

25、加热加速形成粒子射线，粒子的状态为熔融或半熔融状态，喷焊到预处理过的工件表面，在零件的表面发生变形、熔融、凝固等物理化学变化，最终和零件表面冶金结合。自问世以来，等离子喷焊方法已成为现代工业和科学技术在各个领域进行先进加工的一个不可缺少的手段。其特征在于，高温射流，可熔融几乎所有的材料，因此具有宽范围的材料可用于喷焊，等离子喷焊能制备各种耐磨，耐腐蚀，耐热，耐氧化，导电性能优良的涂层，适用于各种基材，金属和非金属，速度快，操作方便，效率高。表面及零件喷雾尺寸范围很宽，无论是对区域喷焊，还是对大件局部喷洒均可，并可以用来修复破旧的零件。查找相关的参考文献后，部分参考文献分析了热喷焊市场的变化，从

26、1990到2000年之间，等离子喷焊在实际生产应用中占据了4861。这个数字足以代表其目前存在不可估量的市场潜力，未来对经济产生的效应也必将让人刮目相看，这就是为什么热喷焊技术在当下如此受欢迎。为此，我国应该在当下大力推广，使用，发展等离子喷焊技术，在等离子喷焊技术上不断研究、优化、创新、完善、追求更好的喷焊工艺。图2 等离子喷焊基本原理2.2等离子焊接特点由于热压缩效应，磁压缩效应和机械压缩的综合影响，等离子火焰速度可达1000m/s，非转移型等离子弧的形成可以获得10000k或更高的温度，热量集中，它可以熔化高熔点，高硬度的粉末材料，速度可达180一600m/s。，所以可以得到组织致密，孔

27、隙率低，与基材粘接强度高（40-70mpa的）易于控制涂层厚度的涂层。等离子喷焊过程中不带电的部件表面温度一般不超过250，零件无变形，喷焊过程中，显微组织和性能也无改变，不改变性质。62特别适合高强度钢，薄壁件，细长零件。等离子喷焊具有以下特点：（1）热影响小，结构不发生变化。工件的加热温度可控制在小于250，它们也可以被喷焊在塑料，涂料，玻璃，石头，棉布，以及其他非金属材料上。（2）涂层的氧化物和杂质含量少，比电镀，渗碳，渗氮的涂层更厚，更硬，更防腐。（3）涂层低孔隙率，高结合，涂层孔隙率可控制在1到10时，粘接强度可达60-70mpa。（4）涂层光滑，并且可以精确地控制厚度。（5）由于等

28、离子喷焊火焰温度非常高，速度快，几乎任何材料都可熔化，喷焊形成的涂层具有粘接强度高，孔隙率低，喷焊效率高，使用广泛的优点，它在航空，冶金，机械，机车车辆和其他方面有广泛的应用。图3 微束等离子弧，普通等离子弧，tig弧外观对比3 等离子喷焊设备按操作方式，等离子喷焊设备可分为手工焊设备和自动焊设备。手工等离子喷焊设备主要由焊接电源，焊枪，程序控制系统，气路系统和水路系统等部分组成，自动等离子喷焊设备除了上述部分外，含有焊接小车和送丝机构（焊接时需要添加金属）。按焊接电流大小，等离子喷焊设备可分为大电流和微束等离子喷焊设备。国外等离子喷焊电源为整流电源，国外著名公司整机重量为930千克，caso

29、lin公司的晶体管电源，体积小，重量轻。北京航空制造技术研究所在20世纪70年代的商业化开发的等离子磁性放大型二极管整流电源，效率低，体积大，能耗高63。甘肃工业大学成功研制plc控制的晶闸管整流式等离子喷焊电源。目前，等离子喷焊设备正朝着体型小高功率方向发展。其中等离子喷焊电源和等离子喷枪是等离子喷焊设备的最关键的部件。3.1等离子喷焊电源3.1.1焊接电源特性等离子弧的静特性曲线呈微上升状，因此钨电极等离子弧焊接电源应具有陡降特性或恒流特性（垂直下降特性）。用纯氩气作为离子气时，电源空载需要达到6080v；用氢气氩气混合做离子气时，空载电压需要达到110-120v。电源形式分为直流等离子弧

30、焊接电源，直流脉冲等离子弧焊接电源和交流等离子弧焊接电源。交流的电源主要用在铝和铝合金方面的焊接，因为等离子弧焊接对电弧稳定性的要求很高，所以在交流焊接时，一般是采用变极性的电源或者方波电源64。3.1.2单电源工作当焊接电流较大的时候，通常会采用的等离子弧焊接方式为转移型，在电极和喷嘴的内部壁中间由于高频振荡引弧的方式，引燃非转移弧或者又称为引弧或者小弧，在此之后，引导电弧并将其转移到工作件和电极之间燃烧，一般情况下，我们可以将一个电阻串联到焊接电源的正极上，再接到焊枪喷嘴上。如下图3所示。在这时，可以经过接触器的动作来切断非转移弧，开始正常的焊接过程65。图3(a)大电流等离子弧 (b)微

31、束等离子弧3.1.3双电源工作 30安培以下的小电流焊接时，需要应用混合型的电弧才能工作，这是由于电弧在小电流的情况下稳定性较差，当电弧通道较长和在离子气的强力冷却时，电弧容易被熄灭，所以需要保持非转移弧燃烧的连续性。通常采取的措施是运用2套相互独立的焊接电源，对转移弧和非转移弧分别进行供电，如图所示。对于非转移弧的电源来讲，空载电压应控制为100-150伏特，而转移型电源的空载电压应控制为80伏特66。3.2.焊枪等离子弧焊枪应该保证等离子弧能够保持稳定的燃烧，使引弧和转弧可靠性高，电弧的压缩件良好，并且具有绝缘，通水（气）和冷却的功能，电极更换简单方便，喷嘴和电极对中良好。焊枪主要由喷嘴，

32、电极，中间的绝缘体，保护罩，水路，馈电体和上下枪体等部分构成。使用棒状电极的焊枪，水，电，离子气和保护气氛接头处，通常情况下都在喷枪枪体的旁侧进行连接。嵌入式电极的水电气接头可以从焊接喷枪的顶部开始接入，图4为两种喷枪示意图。 图4(a)大电流等离子弧喷枪 图4(b)微束等离子弧喷枪3.2.1焊枪基本要求和典型结构等离子弧喷焊对对设计使用的喷枪有诸如一下的要求：1）能够固定喷嘴和钨焊极的相对位置，并且能够进行调节。2）能有效冷却喷嘴和钨焊极。3）将喷嘴和钨极中间进行绝缘处理，只有这样才能在喷嘴的内壁，钨焊极之间将非转移弧引燃。在300安培左右的较大电流的焊接时，将这种情况称为大电流等离子喷焊，

33、同理，当在16安培左右小电流焊接时，这是可以称之为微小束等离子喷焊，这两个喷焊喷嘴的主要区别在于是否采用了直接冷却，还是间接冷却的方式。将冷却水从下枪体进入，冷却后的水就会从上枪体部分流出。在上下枪体中间有两个绝缘柱将他们隔开，进水口和出水口都是水冷电缆部分的接口。等离子气体和保护作用的气体会分成两路进入下枪体部分。微小束等离子喷焊焊枪在电极夹头处，有一个压紧的弹簧，当按下电极夹头顶端就可以接触，造成短路回抽进而引弧。在进行等离子喷焊时，采用的焊枪是双气路焊枪，在枪中流动的气体叫做离子气体和工作气体，在外层通道的流动的是其保护作用的气体。3.2.2喷焊喷嘴的设计等离子喷焊焊枪的喷嘴是喷焊焊枪最

34、主要的组件。它的参数对等离子弧的压缩效果，喷焊工艺过程中的稳定性，喷焊层的质量有着重要的影响。冷却措施、几何形状和进气方式是喷嘴的设计主要因素。对于相同类型的喷枪，通常配备多种喷嘴，以便与各种不同的工作气体和涂层密度相匹配。喷嘴孔的设计还必须考虑不同的工作气体，如氮气喷嘴孔大，其压缩比比氩气小，氮气喷嘴顶从部吸入空气，而氩气喷嘴是切向的。强制冷却的喷嘴，可以维持等离子弧稳定，提高了喷嘴的使用寿命。冷却通道设计重要考虑的是要路径，水阻等。防止喷嘴和焊条烧损的水路设计应符合下列原则。1） 冷却喷嘴和焊条的冷却应均匀，以防止出现薄弱部位。2） 防止冷却喷嘴在轴向方向上的薄弱环节，以避免轴向冷却出现水

35、“短路”和“死区”。3） 水的阻力要小以保证冷却水的流量。一般的，水的温度控制在37以下，以确保冷却效果，水冷式结构如下图5所示，通常有三种形式：环形形状，孔和槽形。图5 3种水冷结构喷嘴的径向的散热面积和对流的散热结构的传热面积是最大的，喷嘴有最佳的冷却效果。环形在轴向方向上的结构的热交换最差，因此喷嘴烧损很容易。等离子喷焊的喷嘴采用紫铜制作会具有良好的导热性，大功率的喷枪采用高压循环蒸馏水来直接冷却枪体，再通过换热器用普通自来水的散热的复合方式来冷却，大功率的喷嘴必须直接水冷，并保证足够的冷却水流量和充足的水压，所以最好采用高压水源五至八十万帕，为提高冷却效果，喷嘴的壁厚不易大于2mm67

36、。喷嘴的作用为非转移型等离子弧正焊条和工作气体的压缩，因此其设计的合理性会影响到离子电弧形成和燃烧地稳定性，等离子射流的温度、喷射力量、速度。喷枪的工作条件，在喷焊过程中，对粉末状和材料的利用效率有显着的影响。喷嘴结构一般有如下几种：圆柱形喷嘴，圆锥形，拉瓦尔形，钟形和阶梯状的喷嘴。如下图6所示：图6几种喷嘴结构喷嘴的主要参数如下图7所示。图7 喷嘴设计参数（1） 喷嘴孔径d。对于确定的电流和离子气体流量时，喷嘴的孔直径越大时那么压缩作用就越小，孔的直径超出一定大小时，那么压缩效果就会消失，孔的直径过小时，那么将容易被烧坏，或者倾向于引起双弧效应，只有在一个合理的电流范围内时，对应一个确定的孔

37、直径。当用等离子弧进行切割时，使用的气流量远远大于喷焊，因此对同一个喷焊的喷嘴，需要使用稍微大一些的电流才可以。（2） 喷焊喷嘴的孔道长度l和d确定后，l增加时，那么压缩作用就会越强，通常情况下以道孔比l/d来表示喷嘴孔道的压缩效果。（3）顶部锥角a又称为压缩角，对等离子弧的压缩效果的影响实际情况下并不大，特别是当离子气流量很小时，也就是l/d很小时，在30-180度都可以采用。但是应该考虑钨极顶端形状的配合，有利于阴极斑点维持在顶端而不会向上爬升。（4）孔道形状。圆柱形压缩孔道多应用于大部分喷焊喷嘴，这类的喷嘴的压缩程度减少后，有助于稳定等离子弧和提高喷嘴的使用寿命，可以应用在焊接堆焊切割喷

38、焊等过程中。也可以采用扩散型的圆锥形和台阶状圆柱形喷嘴。3.3等离子喷焊程序控制及其他系统等离子喷焊时大多数都采用全自动焊接的方法，自动焊的控制系统一般有控制电路和高频引弧电路等部分构成。控制系统通常应该具备如下的功能：（1） 可以预调气体流量并实现离子气流的衰减。（2） 焊接前能进行电极的对中调试。（3） 提早送气，推延停止送气。（4） 可靠的高频引弧以及转移弧燃烧。（5） 实现起弧电流增，熄灭电弧电流衰减（6） 实现焊接行走，焊丝填充。（7） 无冷却时不能开机，发生故障时以及停止机器。 3.3.1水冷系统 等离子弧喷焊设备的水冷系统主要用于冷却焊枪，其次用于冷却电缆。为了保证焊枪在工作室不

39、致因为未给水而烧毁，通常在电源的控制回路内加设水流开关，即有水流动时，电源接通；有水但不流动或无水时，电源开关不接通，从而保证了喷嘴的安全。下图为水冷系统示意图8：图8水冷系统3.3.2气路系统等离子喷焊设备的气路系统如图所示，一般用氩气作为离子气及送粉器。氩气一般采用瓶装氩气，经过减压器，控制气路通断的电磁气阀及流量计，送至焊枪。从而实现产生等离子电弧及保护熔池作用。下图为示意图9：图9气路系统4. 等离子喷焊材料的发展现状等离子喷焊用到的材料有很多种，主要由三大类别组成，分别是镍基金属粉末，铁基金属粉末，钴基金属粉末，或者在国际上还可以分为两大类，一个是自熔性合金粉末，另一个是复合型合金粉

40、末。下面简单陈述一下等离子喷焊材料的国内外发展情况。4.1复合材料金属基复合材料的研究始于20世纪60年代初期，至今已取得了很大发展。金属基复合材料发展的伊始是为满足航天航空等高技术部门对特殊性能结构材料的需求，因此只要性能好，而不计成本；其研究工作大都集中于连续纤维增强的金属基复合材料方面。70年代末，碳化硅颗粒增强铝合金的复合材料以粉末冶金的制造方式而成功进行了这类复合材料制造方式的商业化，为复合材料商品化打下了基础；进入80年代，金属基复合材料进入蓬勃发展阶段，其研究重点转到以不连续增强体（颗粒、晶须和短纤维）增强的金属基复合材料，尤其是铝基复合材料，不公性能优良，成本也开始降低；而19

41、83年，日本本田公司推出陶瓷短纤维增强铝基复合材料局部铝活塞，使金属复合材料在工业中应用取得了突破性的进展。此后，世界各国均加强了复合材料的研制、开发和应用，从而大大地推动了金属基复合材料的民用商品化的进程。4.1.1国外复合材料等离子弧喷焊技术发展状况近年来，德、美、日、前苏联等一些国家对采用等离子弧喷焊方法获得复合喷焊层开展了广泛深人的研究，尤其在工艺技术及喷焊层性能研究方面取得了显著成效年代末期以前，日本多数采用高锰钢型、马氏体型及钴基型材料进行耐磨喷焊保护，在耐磨性要求更高的情况下，听使用的碳化钨型喷焊材料，几乎在听有的场合都是在有裂纹的状态下使用的在这种状态下，如有振动冲击，裂纹就会

42、向母材扩展，发生剥离，使产品寿命降低。这一时期，主要针对防止裂纹开展研究。年前后，日本对复合材料等离子弧喷焊技术开展了大量研究工作。在枪体结构方面，对不同送粉形式的等离子弧枪结构进行试验研究，改进送粉方式，控制碳化物颗粒的熔化烧损：先后采用等离子弧喷焊方法在承受严重磨料磨损的工件上喷焊因科镍尔合金的基材，和颗粒做填充材料的复合耐磨保护层在铝表面喷焊ni基或cu基材料加nbc，并对各项性能进行了研究在sus309和50ni-cr基体粉末中加入nbc、ti粉末进行喷焊，研究防止产生裂纹、咬肉、气孔和夹杂的措施，并进行了热磨损试验、硬度试验、拉伸试验以及热冲击试验等性能研究在采用60%sus309+

43、40%nbc（体积百分比）混合粉末喷焊直径为486mm，辊面长为2.388的大型热轧辊时，表面无裂纹，平均硬度为55hs，轧辊使用寿命大幅度提高。1993年荒木孝雄等人研究了铁基粉末和碳化物粉末混合物对喷焊合金抗磨损性的影响，探讨金属粉末、碳化物粉末如何有效地提高喷焊合金的硬度、增强抗磨损性，从材料的选择上追求喷焊层低成本和高耐磨性。目前，日、美等国铁基含碳化物颗粒的复合材料等离子弧喷焊制品已向我国出口，石油开采行业和冶金行业将其用于石油钴井设备和轧钢生产设备承受磨损严重的部件68。90年代德国在复合材料等离子弧喷焊的材料制备工艺和喷焊枪体结构方面都分别进行了深入细致的研究。为了避免机械棍合的

44、复合粉中硬质颗粒和基材粉末在传输过程中出现分离以及喷焊后硬质颗粒出现沉底的结果，为了制造质量和性能优良的适合等离子喷焊的复合粉末，外国教授埃德里希斯路帕格斯德联合其他实验研究人员和科学家采用聚合烧结方法研究制造了这种复合粉末，这种复合粉其实是将不同比例的人工制造的碳化物结合有机的粘结剂加入到stellite六型钴基粉末中加，再通入还原气体进行充分烧结后，目的是使极细的晶粒尺寸大约为5微米的铸造碳化物颗粒能附着在较大的也就是晶粒尺寸在45微米的钴铬钨合金球颗粒上，这些晶粒尺寸很小的细粉会非常顺利地随着晶粒尺寸较大的颗粒一起混合形成混合粉末再通过设备的传输过程中输送。另外为了有效避免混合粉末各个组

45、分之间不产生裂纹，不论比重相不相同或者流动性相不相同混合粉末的成分都会粘在一起，这样的结果会避免混合粉末的各种成分间当进行机械分离在预热到600的st37型钢板上喷焊这种含碳化钨的复合粉末的同时，喷焊层不仅不会产生裂纹，而且加进去的铸造wc还会均匀分布在整个喷焊层中并且当中有大部分wc被分解掉了，除此之外还导致了基体组织变化，但同司太利6型钴基材料喷焊层比较，这种复合喷焊层的耐磨性和红硬性都提高很多。德国联邦经济部通过科研联合工作组资助的科研项目-利用复合焊丝粉末喷焊来获得坚硬的具有耐磨性的表面保护层，工作组在20世纪90年代就公布了他们的最终研究成果。这个项目的研究结果是该项目研究的pdpa

46、型等离子焊枪套装采用复合组成式结构，这样的好处是喷枪可以适用于选择任意形式，任意晶粒尺寸的粉末甚至是焊丝形式再配合硬质颗粒作为填充材料再输入到设备中。在采用焊丝与粉末进行喷焊时，焊机的调节状态与常用的，双粉末喷焊时相同。配备此套焊枪操作系统不仅可以不通过电弧就可以将硬度较高的粉末颗粒送入目标基体材料的材质中，并且还会在不受到任何其他附加的热负荷的情况下让硬质颗粒很好的进入到熔池中去，这样以来就非常有效地减少了硬质颗粒粉末在熔化时的烧损及在熔化时轻易的扩散，得不到理想的结果。该焊枪系统在喷焊钴基合金含碳化钨达65%以下时，喷焊层没有任何裂纹，碳化钨分布均匀，表面成形良好。在连续自动化作业条件下，

47、可喷焊出近乎完美的复合焊道，其工艺稳定性和可靠性较以往有了长足进步，使喷焊层质量有了可靠的保证。与传统的合金喷焊层相比，这种复合耐磨喷焊层可以延长表面寿命4一10倍。研究成果表明，这套成熟的复合材料等离子弧喷焊焊枪系统已经开始步人商品化进程69。4.1.2我国复合材料等离子弧喷焊技术发展状况目前国内诸多工艺方法在生产中喷焊含碳化物硬质颗粒的复合材料时，存在的主要问题仍然是喷焊层质量问题。在喷焊过程中，对温度敏感的硬质颗粒极易遭到高温破坏，产生相变甚至熔化烧损，降低或失去其耐磨性。碳化物颗粒若在熔池中停留时间过长，其中的碳会扩散出来与粘结金属发生反应形成特殊的碳化物，给表面带来不希望出现的脆化层

48、，结果往往导致严重裂纹，甚至造成崩裂。另外碳化物颗粒比重较大，例如应用较多的铸造碳化钨比重为14-15g/cm3，是钢的2倍，在喷焊过程中易发生沉底现象。这些问题给复合材料的喷焊带来了一定的困难。我国在复合材料等离子弧喷焊研究方面起步较早，20世纪70年代末期开始，国内的各个高校及科研机构就已经先发制人尝试采用等离子弧做热源，喷焊含碳化钨颗粒的复合材料。哈尔滨焊接研究所曾采用外加碳化钨送粉管路的方法喷焊以镍基粉末为基材的含碳化钨复合喷焊层，使碳化钨在喷焊过程中的烧损得到一定控制，但工艺条件要求很苛刻，在连续施焊时工艺稳定性不好，喷焊层质量很难保证一致。上海交通大学曾采用等离子弧外送管状碳化钨焊

49、条方法喷焊楔齿滚刀齿面，获得了较满意的使用效果，试验对粘结金属的选择、碳化钨球粒的百分含量、工艺性要求以及诸因素对耐磨性的影响进行了深人的分析研究，并提出复合材料等离子弧喷焊应遵循的三条原则，为我国以后的复合材料等离子弧喷焊技术研究与应用提供了宝贵经验70。近年来，国内复合材料等离子弧喷焊技术研究与应用取得了展，如国内高校开展了碳化硼颗粒等离子弧喷焊条件下的热行为分析、铁基碳化硼等离子弧喷焊层与性能的研究，分析了铁+20%碳化硼在等离子弧喷焊条件下工艺对喷焊层内碳化硼数量的影响及碳化硼颗粒在等离子弧柱和熔池中的热行为，采用扫描电镜、显微硬度计、离子探针、射线波谱元素线扫描和射线衍射分析等方法研

50、究了不同喷焊工艺下铁基碳化硼等离子喷焊层的组织，对喷焊层的硬度、耐磨性、抗裂性和热稳定性及其与喷焊电流的关系进行了研究沈阳工业大学采用等离子弧喷焊方法在挖掘机斗齿表面喷焊含粒状碳化钨的保护层，研究诸影响因素对耐磨性的作用，并研制了一种专门用于碳化钨喷焊材料的的双通道等离子弧喷焊枪，该焊枪在应用上获得了较满意的使用效果。目前，国内已经成熟掌握的复合材料喷焊工艺方法如手氢弧焊、气焊、氧乙炔喷熔等，在生产应用中仍占主导地位。对采用这些工艺方法获得的复合喷焊层的性能研究也较多，如清华大学、煤科院北京建井研究所、沈阳工业大学、佳木斯工学院等高校和科研院所都曾发表论文，探讨研究喷焊层粘结金属成分、组织结构

51、、硬度及碳化钨颗粒状态、粒度、百分数量等对耐磨性、耐蚀性的影响，并进行理论分析，为复合材料喷焊技术的应用推广奠定了良好的基础。针对复合材料等离子弧喷焊在连续自动化作业条件下的工艺可靠性和喷焊层质量问题，哈尔滨焊接研究所开展了对新型喷焊枪体及其配套设施的研究，取得了很大进展，目前研究工作正在进行当中71。4.2自熔材料自熔合金是指：含有b或si元素，熔点较低，大约在9501150之间，本身具有脱氧、造渣、除气和良好浸润性能的合金。自熔合金按照主基料的不同可分为：钴基自熔合金、镍基自熔合金和铁基自熔合金三种。一般国外的自熔合金最初是镍基或镍-铬基添加硼、硅的合金，其后也展了钴基或镍-铬-钨基中添加

52、硼、硅的合金，铁基合金则较少，主要是铁基合金熔点较高而且粉末容易氧化之故。自熔合金具有较好的流动性和表面张力，它的膨胀系数随成分不同而异。由于自熔合金含有较高的硼与硅，因此一般不能成材，只能以粉末状态应用，制备方法一般用高压雾化法，通常采用的是高压水雾化法或保护气体雾化法制备。自熔性合金粉末包括镍基、钴基、铁基、铜基等。其中镍基和钴基合金粉末具有良好的综合性能，但镍和钴属稀缺金属，成本高，一般只用于有特殊表面性能要求的堆焊。铁基合金粉末原材料来源广，价格低，性能好，得到广泛应用。ni基喷焊合金材料合金的主要成分是ni-cr-b-si合金系，这种材料的熔点低，流动性好，具有良好的耐磨，耐腐蚀性，

53、对热的耐受性和抗氧化性也非常好。主要用于阀门堆焊，泵柱塞、转子、密封环和刮板等需要耐高温耐磨损的零件上。它可分为两类:镍硼硅系列和镍铬硼硅系列。镍硼硅系列是在镍中加人适量的硼、硅元素所形成的自熔合金；镍铬硼硅系列是在镍硼硅系合金中加人铬和碳，形成用途广泛、品种较多的镍铬硼硅系自熔合金。co基喷焊合金粉末，该系列自熔合金以金属co元素为基，是在司太立合金基础上发展起来的，在钴铬钨合金中加人硼、硅元素形成。具有耐磨和耐腐蚀的特性，但是它比镍基合金粉末具有更好的在高温时的热硬性和抗氧化性，缺点是价格昂贵，主要用于重要的需要耐高温耐高压的阀门锻造模具，热剪切刀具和轧钢机器导轨等的堆焊上。相对于co基合

54、金粉末来讲，fe基合金粉末成本较低，且也具有较好的耐磨性，而且也具有一定的耐腐蚀，耐热性能。堆焊那些受到强烈磨损的零件比如破碎机辊，挖掘机的铲齿，泵套，排气叶片和高温中压阀门等72。铁基自熔性合金粉末是以铁为主，由铁、铬、硼、硅等几种主要元素组成。这类合金是在铬不锈钢和镍铬不锈钢的基础上发展起来的。可分为两种类型；奥氏体不锈钢型自熔合金(在奥氏体不锈钢中加入硼、硅元素，并调整碳和合金元素的含量)和高铬铸铁型自熔合金。cu基自熔合金，对于铜基合金来讲，这种材料具有较低的摩擦系数，良好的抗海水、大气腐蚀性能。铜基合金抗擦伤性好，塑性好，易于加工。目前我国研制并生产的铜基自熔合金粉末主要有两类，一种

55、是锡磷青铜粉末，一种是加入镍的白铜粉末。4.2.1国外一些典型自熔合金粉末 1.metco喷焊自熔合金粉末：美国metco公司是发展粉末喷焊较早的企业，迄今其主要的商品喷焊用自熔合金粉末牌号列于表1。牌号成分比重硬度熔点cnicrbsifecumowc其他12c0.15余量102.52.52.57.930-35102414e140.63.54.014f0.6142.753.54.060106015c1.0173.54.04.07.660-64102415f1.0173.54.04.07.660102416c0.5164.04.02.53.03.07.5358-62102417f0.5173.04.03.02.02.07.53喷射40-45重熔58-6218e0.227193.04.01.06.0余量co7.847